33.1: Forma y Función Animal

Habilidades para Desarrollar

• Describir los diversos tipos de planes corporales que ocurren en los animales
• Describir los límites de tamaño y forma de los animales
• Relacionar la bioenergética con el tamaño corporal, los niveles de actividad y el medio ambiente

Los animales varían en forma y función. Desde una esponja hasta un gusano y una cabra, un organismo tiene un plan corporal distinto que limita su tamaño y forma. Los cuerpos de los animales también están diseñados para interactuar con sus entornos, ya sea en las profundidades del mar, un dosel de la selva tropical o el desierto. Por lo tanto, se puede aprender una gran cantidad de información sobre la estructura del cuerpo de un organismo (anatomía) y la función de sus células, tejidos y órganos (fisiología) estudiando el entorno de ese organismo.

Planes Corporales

Los planes corporales de los animales siguen patrones establecidos relacionados con la simetría. Son asimétricos, radiales o bilaterales en forma como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Los animales asimétricos son animales sin patrón ni simetría; un ejemplo de animal asimétrico es una esponja. La simetría radial, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\), describe cuando un animal tiene una orientación hacia arriba y hacia abajo: cualquier plano cortado a lo largo de su eje longitudinal a través del organismo produce mitades iguales, pero no un lado derecho o izquierdo definido. Este plan se encuentra principalmente en animales acuáticos, especialmente organismos que se adhieren a una base, como una roca o un bote, y extraen su alimento del agua circundante a medida que fluye alrededor del organismo. La simetría bilateral se ilustra en la misma figura por una cabra. La cabra también tiene un componente superior e inferior, pero un corte plano de adelante hacia atrás separa al animal en lados definidos derecho e izquierdo. Los términos adicionales utilizados al describir las posiciones en el cuerpo son anterior (frontal), posterior (posterior), dorsal (hacia atrás) y ventral (hacia el estómago). La simetría bilateral se encuentra tanto en animales terrestres como acuáticos; permite un alto nivel de movilidad.

Figura\(\PageIndex{1}\): Los animales presentan diferentes tipos de simetría corporal. La esponja es asimétrica, la anémona de mar tiene simetría radial y la cabra tiene simetría bilateral.

Límites en el tamaño y la forma del animal

Los animales con simetría bilateral que viven en el agua tienden a tener una forma fusiforme: se trata de un cuerpo de forma tubular que se estrecha en ambos extremos. Esta forma disminuye el arrastre sobre el cuerpo a medida que se mueve a través del agua y permite que el animal nade a altas velocidades. La siguiente tabla enumera la velocidad máxima de varios animales. Ciertos tipos de tiburones pueden nadar a cincuenta kilómetros por hora y algunos delfines a 32 a 40 kilómetros por hora. Los animales terrestres suelen viajar más rápido, aunque la tortuga y el caracol son significativamente más lentos que los guepardos. Otra diferencia en las adaptaciones de los organismos acuáticos y terrestres es que los organismos acuáticos están limitados en forma por las fuerzas de arrastre en el agua ya que el agua tiene mayor viscosidad que el aire. Por otro lado, los organismos que habitan en tierra están limitados principalmente por la gravedad, y el arrastre es relativamente poco importante. Por ejemplo, la mayoría de las adaptaciones en aves son por gravedad no por arrastre.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Velocidad máxima de varios animales terrestres y marinos

Animal	Velocidad (kmh)	Velocidad (mph)
Guepardo	113	70
Cuarto de caballo	77	48
Fox	68	42
Tiburón mako	50	31
Gato doméstico de la casa	48	30
Humano	45	28
Delfín	32—40	20—25
Ratón	13	8
Caracol	0.05	0.03

La mayoría de los animales tienen un exoesqueleto, incluyendo insectos, arañas, escorpiones, cangrejos herradura, ciempiés y crustáceos. Los científicos estiman que, solo de los insectos, hay más de 30 millones de especies en nuestro planeta. El exoesqueleto es una cubierta dura o caparazón que brinda beneficios al animal, como la protección contra los daños de los depredadores y de la pérdida de agua (para animales terrestres); también proporciona los aditamentos de los músculos.

Como la cubierta exterior dura y resistente de un artrópodo, el exoesqueleto puede estar construido de un polímero duro como la quitina y a menudo se biomineraliza con materiales como el carbonato de calcio. Esto se fusiona con la epidermis del animal. Los crecimientos internos del exoesqueleto, llamados apodemes, funcionan como sitios de unión para los músculos, similares a los tendones en animales más avanzados (Figura\(\PageIndex{2}\)). Para crecer, el animal primero debe sintetizar un nuevo exoesqueleto debajo del viejo y luego arrojar o mudar la cubierta original. Esto limita la capacidad del animal para crecer continuamente, y puede limitar la capacidad del individuo para madurar si la muda no ocurre en el momento adecuado. El grosor del exoesqueleto debe aumentarse significativamente para acomodar cualquier incremento de peso. Se estima que una duplicación del tamaño corporal aumenta el peso corporal en un factor de ocho. El grosor creciente de la quitina necesario para soportar este peso limita a la mayoría de los animales con exoesqueleto a un tamaño relativamente pequeño. Los mismos principios se aplican a los endoesqueletos, pero son más eficientes porque los músculos están adheridos en el exterior, lo que facilita la compensación del aumento de masa.

Figura\(\PageIndex{2}\): Los apodemos son crecimientos internos en exoesqueletos de artrópodos a los que se unen los músculos. Los apodemes en esta pata de cangrejo se encuentran por encima y por debajo del fulcro de la garra. La contracción de los músculos unidos a las apodemas tira de la garra cerrada.

Un animal con endoesqueleto tiene su tamaño determinado por la cantidad de sistema esquelético que necesita para soportar los otros tejidos y la cantidad de músculo que necesita para moverse. A medida que aumenta el tamaño corporal, aumentan la masa ósea y muscular. La velocidad alcanzable por el animal es un equilibrio entre su tamaño general y el hueso y músculo que proporcionan soporte y movimiento.

Efectos limitantes de la difusión sobre el tamaño y el desarrollo

El intercambio de nutrientes y desechos entre una célula y su ambiente acuoso se produce a través del proceso de difusión. Todas las células vivas están bañadas en líquido, ya sea en un organismo unicelular o en uno multicelular. La difusión es efectiva a una distancia específica y limita el tamaño que puede alcanzar una célula individual. Si una célula es un microorganismo unicelular, como una ameba, puede satisfacer todas sus necesidades de nutrientes y desechos a través de la difusión. Si la célula es demasiado grande, entonces la difusión es ineficaz y el centro de la célula no recibe los nutrientes adecuados ni es capaz de disipar eficazmente sus desechos.

Un concepto importante para entender cuán eficiente es la difusión como medio de transporte es la relación superficie-volumen. Recordemos que cualquier objeto tridimensional tiene un área de superficie y volumen; la relación de estas dos cantidades es la relación superficie-volumen. Considera una celda con forma de esfera perfecta: tiene una superficie de 4πr ², y un volumen de (4/3) πr ³. La relación superficie-volumen de una esfera es 3/r; a medida que la celda se hace más grande, su relación superficie a volumen disminuye, haciendo que la difusión sea menos eficiente. Cuanto mayor sea el tamaño de la esfera, o animal, menor será la superficie de difusión que posee.

La solución para producir organismos más grandes es que se conviertan en multicelulares. La especialización ocurre en organismos complejos, permitiendo que las células sean más eficientes para realizar menos tareas. Por ejemplo, los sistemas circulatorios aportan nutrientes y eliminan los desechos, mientras que los sistemas respiratorios proporcionan oxígeno a las células y eliminan el dióxido de carbono de ellas. Otros sistemas de órganos han desarrollado una mayor especialización de células y tejidos y controlan eficientemente las funciones corporales. Además, la relación superficie-volumen se aplica a otras áreas de desarrollo animal, como la relación entre la masa muscular y el área de superficie transversal en esqueletos de soporte, y en la relación entre la masa muscular y la generación de disipación de calor.

Bioenergética Animal

Todos los animales deben obtener su energía de los alimentos que ingieren o absorben. Estos nutrientes se convierten en trifosfato de adenosina (ATP) para su almacenamiento y uso a corto plazo por todas las células. Algunos animales almacenan energía por tiempos ligeramente más largos como glucógeno, y otros almacenan energía por tiempos mucho más largos en forma de triglicéridos alojados en tejidos adiposos especializados. Ningún sistema energético es cien por ciento eficiente, y el metabolismo de un animal produce energía residual en forma de calor. Si un animal puede conservar ese calor y mantener una temperatura corporal relativamente constante, se clasifica como animal de sangre caliente y se le llama endoterma. El aislamiento utilizado para conservar el calor corporal viene en forma de pelaje, grasa o plumas. La ausencia de aislamiento en animales ectotérmicos aumenta su dependencia del ambiente para el calor corporal.

La cantidad de energía gastada por un animal a lo largo de un tiempo específico se llama su tasa metabólica. La tasa se mide de diversas maneras en julios, calorías o kilocalorías (1000 calorías). Los carbohidratos y las proteínas contienen aproximadamente 4.5 a 5 kcal/g, y la grasa contiene aproximadamente 9 kcal/g. La tasa metabólica se estima como la tasa metabólica basal (TMO) en animales endotérmicos en reposo y como la tasa metabólica estándar (SMR) en ectotermos. Los machos humanos tienen un BMR de 1600 a 1800 kcal/día, y las hembras humanas tienen un BMR de 1300 a 1500 kcal/día. Incluso con aislamiento, los animales endotérmicos requieren grandes cantidades de energía para mantener una temperatura corporal constante. Un ectotermo como un cocodrilo tiene una SMR de 60 kcal/día.

Requerimientos energéticos relacionados con el tamaño corporal

Los animales endotérmicos más pequeños tienen una mayor área de superficie para su masa que los más grandes (Figura\(\PageIndex{3}\)). Therefore, smaller animals lose heat at a faster rate than larger animals and require more energy to maintain a constant internal temperature. This results in a smaller endothermic animal having a higher BMR, per body weight, than a larger endothermic animal.

Figure \(\PageIndex{3}\): The mouse has a much higher metabolic rate than the elephant. (credit “mouse”: modification of work by Magnus Kjaergaard; credit “elephant”: modification of work by “TheLizardQueen”/Flickr)

Energy Requirements Related to Levels of Activity

The more active an animal is, the more energy is needed to maintain that activity, and the higher its BMR or SMR. The average daily rate of energy consumption is about two to four times an animal’s BMR or SMR. Humans are more sedentary than most animals and have an average daily rate of only 1.5 times the BMR. The diet of an endothermic animal is determined by its BMR. For example: the type of grasses, leaves, or shrubs that an herbivore eats affects the number of calories that it takes in. The relative caloric content of herbivore foods, in descending order, is tall grasses > legumes > short grasses > forbs (any broad-leaved plant, not a grass) > subshrubs > annuals/biennials.

Energy Requirements Related to Environment

Animals adapt to extremes of temperature or food availability through torpor. Torpor is a process that leads to a decrease in activity and metabolism and allows animals to survive adverse conditions. Torpor can be used by animals for long periods, such as entering a state of hibernation during the winter months, in which case it enables them to maintain a reduced body temperature. During hibernation, ground squirrels can achieve an abdominal temperature of 0° C (32° F), while a bear’s internal temperature is maintained higher at about 37° C (99° F).

If torpor occurs during the summer months with high temperatures and little water, it is called estivation. Some desert animals use this to survive the harshest months of the year. Torpor can occur on a daily basis; this is seen in bats and hummingbirds. While endothermy is limited in smaller animals by surface to volume ratio, some organisms can be smaller and still be endotherms because they employ daily torpor during the part of the day that is coldest. This allows them to conserve energy during the colder parts of the day, when they consume more energy to maintain their body temperature.

Animal Body Planes and Cavities

A standing vertebrate animal can be divided by several planes. A sagittal plane divides the body into right and left portions. A midsagittal plane divides the body exactly in the middle, making two equal right and left halves. A frontal plane (also called a coronal plane) separates the front from the back. A transverse plane (or, horizontal plane) divides the animal into upper and lower portions. This is sometimes called a cross section, and, if the transverse cut is at an angle, it is called an oblique plane. Figure \(\PageIndex{4}\) illustrates these planes on a goat (a four-legged animal) and a human being.

Figure \(\PageIndex{4}\): Shown are the planes of a quadruped goat and a bipedal human. The midsagittal plane divides the body exactly in half, into right and left portions. The frontal plane divides the front and back, and the transverse plane divides the body into upper and lower portions.

Vertebrate animals have a number of defined body cavities, as illustrated in Figure \(\PageIndex{5}\). Two of these are major cavities that contain smaller cavities within them. The dorsal cavity contains the cranial and the vertebral (or spinal) cavities. The ventral cavity contains the thoracic cavity, which in turn contains the pleural cavity around the lungs and the pericardial cavity, which surrounds the heart. The ventral cavity also contains the abdominopelvic cavity, which can be separated into the abdominal and the pelvic cavities.

Figure \(\PageIndex{5}\): Vertebrate animals have two major body cavities. The dorsal cavity, indicated in green, contains the cranial and the spinal cavity. The ventral cavity, indicated in yellow, contains the thoracic cavity and the abdominopelvic cavity. The thoracic cavity is separated from the abdominopelvic cavity by the diaphragm. The thoracic cavity is separated into the abdominal cavity and the pelvic cavity by an imaginary line parallel to the pelvis bones. (credit: modification of work by NCI)

Career Connections: Physical Anthropologist

Physical anthropologists study the adaption, variability, and evolution of human beings, plus their living and fossil relatives. They can work in a variety of settings, although most will have an academic appointment at a university, usually in an anthropology department or a biology, genetics, or zoology department.

Non-academic positions are available in the automotive and aerospace industries where the focus is on human size, shape, and anatomy. Research by these professionals might range from studies of how the human body reacts to car crashes to exploring how to make seats more comfortable. Other non-academic positions can be obtained in museums of natural history, anthropology, archaeology, or science and technology. These positions involve educating students from grade school through graduate school. Physical anthropologists serve as education coordinators, collection managers, writers for museum publications, and as administrators. Zoos employ these professionals, especially if they have an expertise in primate biology; they work in collection management and captive breeding programs for endangered species. Forensic science utilizes physical anthropology expertise in identifying human and animal remains, assisting in determining the cause of death, and for expert testimony in trials.

Summary

Animal bodies come in a variety of sizes and shapes. Limits on animal size and shape include impacts to their movement. Diffusion affects their size and development. Bioenergetics describes how animals use and obtain energy in relation to their body size, activity level, and environment.

Glossary

apodeme

ingrowth of an animal’s exoskeleton that functions as an attachment site for muscles

asymmetrical

describes animals with no axis of symmetry in their body pattern

basal metabolic rate (BMR)

metabolic rate at rest in endothermic animals

dorsal cavity

body cavity on the posterior or back portion of an animal; includes the cranial and vertebral cavities

ectotherm

animal incapable of maintaining a relatively constant internal body temperature

endotherm

animal capable of maintaining a relatively constant internal body temperature

estivation

torpor in response to extremely high temperatures and low water availability

frontal (coronal) plane

plane cutting through an animal separating the individual into front and back portions

fusiform

animal body shape that is tubular and tapered at both ends

hibernation

torpor over a long period of time, such as a winter

midsagittal plane

plane cutting through an animal separating the individual into even right and left sides

sagittal plane

plane cutting through an animal separating the individual into right and left sides

standard metabolic rate (SMR)

metabolic rate at rest in ectothermic animals

torpor

decrease in activity and metabolism that allows an animal to survive adverse conditions

transverse (horizontal) plane

plane cutting through an animal separating the individual into upper and lower portions

ventral cavity

body cavity on the anterior or front portion of an animal that includes the thoracic cavities and the abdominopelvic cavities